光伏系統功率跟蹤算法的仿真平臺設計及其實現

肖文波 余曉鵬

摘 ?要： 將虛擬仿真技術應用于實驗課程，有利于提高教學質量，為此，文中討論光伏系統最大功率跟蹤算法中擾動觀察法及電導增量法的原理，并通過Matlab/Simulink建立了它們的仿真平臺。通過仿真結果對比研究上述方法，得出擾動觀察法跟蹤算法簡單，其特點是震蕩中搜索電池輸出最大功率點;電導增量法的特點是平穩且快速的搜索到最大功率點。該研究為光伏發電技術的仿真平臺的開發提供一種途徑。

關鍵詞： 光伏發電; 最大功率點跟蹤; 仿真平臺; 擾動觀察法; 電導增量法; Matlab

中圖分類號： TN830.4?34; TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）12?0104?04

Abstract： The application of the virtual simulation technology in experimental courses can help to improve the teaching quality. Therefore， the principles of the perturbation observation method and conductance increment method are discussed in this paper for the maximum power tracking algorithm of the photovoltaic system， for which the simulation platform is established with the Matlab/Simulink. The above methods are comparatively researched by the simulation. The results show that the tracking algorithm of the perturbation observation method is simple and has the characteristics of searching the maximum power point output by the battery during oscillation， and the conductance increment method has the characteristic of searching the maximum power point stably and fast. The research can provide an approach for the simulation platform development of the photovoltaic power generation technology.

Keywords： photovoltaic power generation; maximum power point tracking; simulation platform; perturbation observation method; conductance increment method; Matlab

0 ?引 ?言

隨著國家重視并開展虛擬仿真實驗教學中心的建設，許多學校重視并開發虛擬仿真實驗[1?3]。虛擬仿真實驗教學注入了新的活力，不僅避免了實驗條件等限制，又可以擴展實驗內容，讓學生有機會獨立開展更多的探索性、研究性實驗，同時緩解實驗內容與學時之間的矛盾，還有利于學生掌握現代仿真軟件工具、培養學生的實踐能力和創新能力[4?8]。最近，隨著光伏產業的快速發展，許多高校開設了相關課程。但是光伏發電本身具有非線性和時變性，無法建立精確的數學模型，且受外界天氣因素影響巨大[9]，所以相關理論教學難以形象闡述這部分教學內容，尤其是光伏發電量最大功率點跟蹤技術[10]。由此，開發光伏發電最大功率點跟蹤仿真技術的平臺，對于教學十分重要[11?12]。

為此，本文討論光伏系統最大功率跟蹤算法中擾動觀察法及電導增量法的原理，并通過Matlab/Simulink建立了它們的仿真平臺。通過仿真結果對比研究，得出擾動觀察法跟蹤算法簡單，采樣的精度要求低且跟蹤速度較快;電導增量法可快速穩定工作在最大功率點且輸出平穩，但是對采樣的精度要求較高。該研究為光伏發電技術的仿真平臺開發提供一種途徑。

1 ?最大功率點跟蹤算法的原理

光伏發電最大功率點跟蹤原理是在給定條件下讓電池產生的電能高效地傳輸給負載，使系統的能量利用率盡量的提高。基本原理如圖1所示，圖中橫坐標是電池輸出電壓（V），縱坐標是電池輸出功率（P）。通過對比電池當前輸出功率與前一次功率的大小，判斷電池輸出最大功率的方向;然后通過增加或減少負載的大小調整輸出電壓，以達到電池輸出功率最大。

圖1 ?最大功率點跟蹤示意圖

目前，光伏發電最大功率點跟蹤算法大體可以分為擾動觀察法、電導增量法及其相關改進算法[13]。常用的有兩種就是擾動觀察法和電導增量法。擾動觀察法又稱為爬山法[14]，該方法原理簡單，其主要原理是通過不斷擾動光伏系統當前輸出電流或者電壓，采集擾動后的輸出電流和電壓并計算輸出功率，將輸出功率與前一次的功率進行比較，根據比較的結果來判定下一次的擾動方向。電導增量算法[15]是以電導和瞬時電導的比較確定最大功率點位置，具體是依據輸出功率與電壓曲線的斜率判斷：如果斜率大于0，那么輸出電壓應該在最大功率點的左邊曲線;如果斜率小于0，那么是在最大功率點的右邊曲線;如果斜率等于0，那么正好為最大功率點輸出（也即滿足電流對電壓的導數等于負的電流除以電壓：[dIdV=-IV]）。下面對擾動觀察法和電導增量法具體流程進行說明。

擾動觀察法判斷流程如圖2所示。

具體過程如下：控制器首先采集2個相鄰時刻的電壓和電流V（k），I（k），V（k-1），I（k-1），然后分別計算出它們的功率P（k），P（k-1）。通過求兩功率之差dP=P（k）-P（k-1）來判斷下一步擾動的方向。如果dP>0且V（k）-V（k-1）>0，則電壓向右邊擾動一個步長V（k）= V（k）+ΔV（ΔV是擾動步長）;其他情況類似，直到找到最大功率點。

圖2 ?擾動觀察法流程圖

電導增量法具體跟蹤過程如圖3所示。控制器首先采集某時刻的電壓V（k）和電流I（k），然后計算出此時電壓、電流微分dV，dI。通過dV，dI與0及[dIdV=-IV]比較來判斷下一步擾動的方向。當[dIdV=-IV]時，說明正工作在最大功率點;當[dIdV>-IV]時，說明在最大功率點的左邊，此時增加一個固定電壓值V（k）=V+ΔV;當[dIdV<-IV]時，表明在最大功率點的右邊，此時減小一個固定電壓值V（k）=V-ΔV。

圖3 ?電導增量法的流程圖

2 ?仿真電路圖

通過Matlab/Simulink模塊建立擾動觀察法和電導增量法的仿真圖。擾動觀察法的算法思想是：由輸出功率值的變化決定下一步占空比的變化方向。如果功率增加，則搜索方向不變;如果功率減小，則搜索方向相反。具體電路仿真如圖4所示。

電導增量法的算法思想是：由[dIdV]與[-IV]之間的關系來決定下一步占空比的變化方向。如果[-dIdV=IV]，則搜索方向不變;如果[-dIdV=IV]，則搜索方向相反。具體電路仿真圖5所示。

圖4 ?擾動觀察法電路模型圖

圖5 ?電導增量法電路模型圖

3 ?仿真結果討論

設置光伏電池短路電流Isc=4.75 A、開路電壓Voc=21.25 V、最大功率點處的電流Im=4.51 A、電壓Vm=17.25 V為初始數據，仿真時間段為0.4 s。在0 s，0.1 s，0.2 s， 0.3 s時刻電池所處環境條件分別為1 200 W/m2，25 ℃;900 W/m2，25 ℃;600 W/m2，25 ℃;1 000 W/m2，25 ℃。記錄光伏電池的最大功率輸出數據，以及擾動觀察法、電導增量法最大功率跟蹤數據，結果如圖6所示。

圖6 ?仿真結果

從圖6可以看出，在相同的光強和溫度條件下，不同方法尋優達到最大功率點跟蹤的速度不同。電導增量法比擾動觀察法更快搜索到電池輸出最大功率點并穩定下來;而擾動觀察法總是在震蕩中搜索電池輸出最大功率點。此外， 還發現在環境條件改變的情況下，電導增量法也能平穩地搜索到最大功率點。由此可以說電導增量法性能優于擾動觀察法。

4 ?結 ?論

將虛擬仿真技術應用于實驗課程，有利于提高教學質量。為此，本文討論光伏系統最大功率跟蹤算法中擾動觀察法及電導增量法的原理，并通過Matlab/Simulink建立了它們的仿真平臺。通過仿真結果對比研究上述方法，得出擾動觀察法跟蹤算法簡單，其特點是震蕩中搜索電池輸出最大功率點;電導增量法的特點是平穩且快速地搜索到最大功率點。該研究為光伏發電技術的仿真平臺的開發，提供一種途徑。

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